CN109058762A - 一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法 - Google Patents

一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，其步骤：确定管道的储气能力，并做出管输量和储气能力的关系曲线；根据各用户用气计划计算用户的调峰需求量；根据气源供气特性、气源调峰深度及供气计划计算气源的调峰能力；根据气源调峰特性、气源调峰深度和管网结构，结合气源调峰能力，分析管网系统储气/调峰能力的量化关系；根据管网系统的调峰能力做出该管道系统的管输量与调峰能力的关系曲线，核算市场调峰需求量，进行合理的生产调度，气源排布和市场排布。本发明能平衡气源供气能力、用户调峰用气需求、管网输气能力之间的气量调度关系。

Description

一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法
技术领域
本发明涉及一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，属于天然气管道或天然气管网技术领域。
背景技术
随着天然气产业蓬勃发展、天然气管道建设不断加速、国家级天然气主干管网不断形成和扩展、天然气用户增加迅速并在局部地区超出管道设施的设计预期、同时天然气大用户尤其调峰用户的小时调峰需求增加，在用户终端用气调峰设施严重不足的情况下，迅速增加的天然气深度调峰需求用户对既有的天然气管道设施的运营调度提出越来越高的要求和技术挑战。
现有技术处理天然气管网的气量调度方法，主要有三种：一是通过在线仿真系统，进行并行于实际生产数据的实时计算和根据调度方案需要的“向前看”；但这种方法在即实际生产中仅为少量使用，对生产调度人员的技术要求很高，且涉及到在线大量实时数据的“降噪”处理，虽然技术方法最好，但因其使用难度较高，实际使用效果有限，甚至会出现用不起来的情况；二是基于生产调度人员从生产经验获得的“压力-管容变化”数据(系数)，进行经验化判断，但在气源和用户发证较大需求改变时无法进行跳跃式判断，缺乏准确性依据；三是通过离线的仿真软件进行工况计算，问题集中在计算的“基线”距离生产状态较远，以及离线计算工作量过大，往往难以满足生产实际中多种工况变化的需要，因为结合生产实际，不同气源及用气量的边界组合会有成百上千种工况，导致计算费时费力。在多气源的情况下，问题尤其复杂，只有上述第一、三种方法可用。这些问题均导致生产运行中的调度过于保守，无法满足用户用气量较大负荷变化的需求，输气管道运营方也往往因此丧失增大输气量、提高收益的机会。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，其能平衡气源供气能力、用户调峰用气需求、管网输气能力之间的气量调度关系。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，其包括以下步骤：1)确定管道本身的储气能力，并做出管输量和储气能力的关系曲线；2)根据各用户用气计划计算用户的调峰需求量，根据气源供气特性、气源调峰深度及供气计划计算气源的调峰能力；3)根据气源调峰特性、气源调峰深度和管网结构，获取管网系统储气/调峰能力的量化关系；4)考虑不同季节、电厂运行方式组合因素，做出管网系统的管输量与调峰能力的关系曲线，核算市场调峰需求量，进行生产调度，气源排布和市场排布。
进一步，所述步骤1)中，在确定的管网结构下，根据季节、管道属性和用户配置对需要分析的工况分类，每类工况下选择一个基准工况，参考气源最高外输压力和用户最低压力需求边界条件计算不同管输量下管道本身的储气能力。
进一步，所述管道本身的储气能力计算公式为：
其中，Vmax为储气状态结束时管道的气体管存量，单位为m3；Vmin为储气状态开始时管道的气体管存量，单位为m3；ppjmax为储气状态结束时管道的平均压力，单位为Pa；ppjmin为储气状态开始时管道的平均压力，单位为Pa；P1max为起点最高允许压力，单位为Pa；p2min为终点最低允许压力，单位为Pa；Va为管道的几何体积，单位为m3；l为管道长度，单位为m；D为管道内径，单位为m；Q为标况下管道内气体体积流量，单位为m3/s；Z1、Z2分别为储气开始和储气结束时平均压力与平均温度下的压缩因子，近似认为Z1＝Z2＝Z；T1、T2分别为储气开始和储气结束时平均温度，近似认为T1＝T2＝T，单位为K；p0为工程标准状况下的压力，p0＝101325Pa；Z0为P0，T0下的压缩因子，Z0＝1；T0为工程标准状况下的温度，T0＝293K；λ为水力摩阻系数；Δ*为天然气的相对密度。Vs为管道在输量Q下对应的储气能力，单位为m3；C0为常数，0.03848。
进一步，所述步骤2)中，用户调峰需求量及气源调峰能力的计算公式为：
式中，V为某确定工况下的下游用户或上游气源的日调峰需求量，万方/天；n代表管道沿线共有n个天然气用户或气源；i代表管道沿线的用户或气源；j代表一天24小时内的某小时时刻；qj为用户或气源i在第j个小时的用气量或供气量，万方/小时；为用户或气源i的日均小时用气用气量或供气量，万方/小时。
进一步，所述步骤3)中，管网系统储气/调峰能力的量化关系为：
式中，Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；Qi为用户i的日输量，万方/天；Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；V0为管道系统具备的调峰能力，万方/天；VS为管道在输量Q下对应的储气能力，万方/天；Vt为气源提供的日调峰量，万方/天；Vtmax为气源的最大调峰能力，万方/天；VS’为管道储气能力与气源调峰能力叠加后的系统储气能力，万方/天；Vm为市场调峰需求，万方/天。
进一步，所述步骤4)中，不同管网系统管输量和系统调峰能力的关系曲线不同，该关系曲线展示了管网系统能安全运行的管输量和调峰量匹配区间，根据该区间判断本管网系统可满足的下游市场需求范围，进行生产调度，气源排布和市场排布。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明结合管网实际运行数据，在多气源条件下，量化储气/调峰关系，为天然气管网计算出管输量与调峰量的关系曲线，为天然气管网运行企业合理调控管输参数、把握气量调度范围、控制安全运行风险提供可靠依据。2、本发明适用性广泛，解决了管网运行企业疲于应对用户用气规律变化大、技术核算时间周期长、难以准确把握仿真计算结果与管道运行安全边际的平衡处理问题，可实时掌握管道的实际输送能力的变化。
附图说明
图1是本发明的气量均衡调度方法流程示意图；
图2是天然气管网管输量与调峰能力关系示意图；
图3是某天然气管网管输量/调峰能力关系曲线。
具体实施方式
本发明提供一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，该方法结合管网实际运行数据，在多气源条件下，量化储气/调峰关系，为天然气管网计算出管输量与调峰量的边界曲线，为天然气管网运行企业合理调控管输参数、把握气量调度范围、控制安全运行风险提供可靠依据。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1)确定管道本身的储气能力：在确定的管网结构下，根据季节、管道属性、用户配置等条件对需要分析的工况分类，每类工况下选择一个基准工况，参考气源最高外输压力、用户最低压力需求等边界条件计算不同管输量下管道本身的储气能力，并做出管输量和储气能力的关系曲线。
在不同管输量下，管道本身的储气能力的计算公式如下：
其中，Vmax为储气状态结束时管道的气体管存量，单位为m3；Vmin为储气状态开始时管道的气体管存量，单位为m3；ppjmax为储气状态结束时管道的平均压力，单位为Pa；ppjmin为储气状态开始时管道的平均压力，单位为Pa；p1max为起点最高允许压力，单位为Pa；p2min为终点最低允许压力，单位为Pa；Va为管道的几何体积，单位为m3；l为管道长度，单位为m；D为管道内径，单位为m；Q为标况下管道内气体体积流量，单位为m3/s；Z1、Z2分别为储气开始和储气结束时平均压力与平均温度下的压缩因子，可近似认为Z1＝Z2＝Z；T1、T2分别为储气开始和储气结束时平均温度，可近似认为T1＝T2＝T，单位为K；p0为工程标准状况下的压力，p0＝101325Pa；Z0为P0，T0下的压缩因子，Z0＝1；T0为工程标准状况下的温度，T0＝293K；λ为水力摩阻系数；Δ*为天然气的相对密度。VS为管道在输量Q下对应的储气能力，单位为m3；C0为常数，0.03848。
2)根据各用户用气计划计算用户的调峰需求量；根据气源供气特性、气源调峰深度及供气计划计算气源的调峰能力；
用户调峰需求量及气源调峰能力的计算公式为：
式中，V为某确定工况下的下游用户(上游气源)的日调峰需求量，万方/天；n代表管道沿线共有n个天然气用户(气源)；i代表管道沿线的用户(气源)；j代表一天24小时内的某小时时刻；qj为用户(气源)i在第j个小时的用气(供气)量，万方/小时；为用户(气源)i的日均小时用气(供气)量，万方/小时。
3)根据气源调峰特性、气源调峰深度和管网结构(气源调峰特性、气源调峰深度影响气源调峰能力，管网结构影响管道储气能力和气源调峰能力)，获取管网系统储气/调峰能力的量化关系；
管网系统的储气/调峰能力量化关系为：
式中，Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；Qi为用户i的日输量，万方/天；Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；V0为管道系统具备的调峰能力，万方/天；VS为管道在输量Q下对应的储气能力，万方/天；Vt为气源提供的日调峰量，万方/天；Vtmax为气源的最大调峰能力，万方/天；VS’为管道储气能力与气源调峰能力叠加后的系统储气能力，万方/天；Vm为市场调峰需求，万方/天。
4)考虑不同季节、电厂运行方式组合等因素，根据不同管输量下管网系统具备的储气能力，做出该管网系统的管输量与调峰能力的关系曲线，核算市场调峰需求量，进行合理的生产调度，气源排布和市场排布；
如图2所示，图中，a、b、c表示管道下游多个调峰电厂的多种位置组合；Va表示下游调峰电厂以a组合方式运行时，管输量和调峰能力的关系曲线；Vas、Vaw分别表示下游调峰电厂以a组合运行时，夏季和冬季的管输量和调峰能力的关系曲线。不同管网系统管输量和系统调峰能力的关系曲线不同，针对实际运营的管网，该边界曲线的趋势、外观会有所不同，该关系曲线展示了管网系统可以安全运行的管输量和调峰量匹配区间，根据该区间判断本管网系统可满足的下游市场需求范围，进行合理的生产调度，气源排布和市场排布；
实施例：
在广东省某管网进行试验，采用本发明的方法对该管网的实际运营工况的合理性和可行性进行评价。
根据本管网的实际情况，综合考虑气源调峰特性、管网结构特性、用户调峰需求、边界条件等因素，对常见的13种工况进行评价，且将评价结果与软件核算结果对比，具有一致性，从而验证了本技术的可靠性，该调度技术可为管道的调度管理决策提供依据。
1、市场调峰需求
下游市场共有35个用户，其中9个燃气电厂用户，针对机组运行方式不确定的三个调峰电厂D、E、F的燃气机组启停组合情况，排列13种工况，在13种工况下下游用户的用气需求和调峰需求情况如表1所示。
表1 13个工况下用户用气需求
2、气源调峰量
气源共有3个，A、B和C。气源A和B分别以953万方/天和280万方/天的供气量供应管网，气源C不参与时调峰，补充气源A和B的供气缺口。气源A和B日供气方式和供应量详见表2。在此供气方式下，气源A可提供的日调峰量为26.92万方，气源B可提供的日调峰量为19.94万方。
表2气源A和B日供气安排
气源 合计 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00
A 953 36.50 36.50 36.50 36.50 36.50 36.50 36.50 36.50
B 280 9.50 9.50 9.50 9.50 9.50 9.50 9.50 9.50
气源 均值 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00
A 39.71 39.50 42.50 42.50 42.50 42.50 42.50 42.50 42.50
B 11.69 10.50 13.50 13.50 13.50 13.50 13.50 13.50 13.50
气源 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00
A 42.50 42.00 42.00 39.50 39.50 39.50 39.50 39.50 36.50
B 13.50 13.50 13.50 13.50 11.50 11.50 11.50 11.00 9.50
3、管网系统的调峰能力核算
1)边界条件
起点压力不高于8.5MPaG，末端压力不低于4.7MPaG，在此边界条件下，逐渐改变全线最不利点用户的输量，计算管网在不同管输量所对应的一系列的最高管存、最低管存、储气能力。
2)管网系统储气调峰能力
a)基准工况的选择
根据投运电厂的位置，将所有工况分为两类，以工况1为代表的工况1～工况5，以工况8为代表的工况6～工况13。工况1和8作为管道储气调峰能力分析的基准工况。
b)基准整合后的系统调峰能力
以工况1和工况8分别为基准，结合气源调峰能力、不同管输量下管网的储气能力、及储气/调峰能力量化模型得到系统管输量/调峰能力关系曲线Vs1和Vs2，如图3所示。采用曲线Vs1研究工况1～工况5下的管道运营安全可行性；采用曲线Vs2研究工况6～工况13下的管网运营安全可行性。
工况1～工况4的管输量和调峰需求量对应的点位于曲线Vs1之下，即这些工况的调峰需求量小于对应管输量下管网系统的调峰能力。而工况5的管输量和调峰需求量对应的点位于曲线Vs1之上，即这些工况的调峰需求量大于对应管输量下管网系统的调峰能力。分析结果：工况5位于安全运行边界线Vs1以外，说明该工况下管网运行已违背安全性；其余工况均在安全运行范围内。
工况6～工况13中，除工况10外，管输量和调峰需求量对应的点均位于曲线Vs2之下，即这些工况的调峰需求量小于对应输量下管网系统的调峰能力，而工况10情况相反，调峰需求量大于对应管输量下管网系统的调峰能力。分析结果：工况10位于安全运行边界线Vs2以外，说明该工况下管道运行已违背安全性；其余工况均在安全运行范围内。
4、核算结果
采用DNV GL公司的天然气长输管道仿真软件SPS对工况1～工况13进行核算，将13个工况的分析结果与软件仿真结果进行比对，结果完全吻合，具有高准确度的一致性，从而验证了本发明的气量调度方法具有很强的可靠性与实用性。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种多气源天然气管网的气量均衡调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定管道本身的储气能力，并做出管输量和储气能力的关系曲线；
2)根据各用户用气计划计算用户的调峰需求量，根据气源供气特性、气源调峰深度及供气计划计算气源的调峰能力；
3)根据气源调峰特性、气源调峰深度和管网结构，获取管网系统储气/调峰能力的量化关系；
4)考虑不同季节、电厂运行方式组合因素，做出管网系统的管输量与调峰能力的关系曲线，核算市场调峰需求量，进行生产调度，气源排布和市场排布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，在确定的管网结构下，根据季节、管道属性和用户配置对需要分析的工况分类，每类工况下选择一个基准工况，参考气源最高外输压力和用户最低压力需求边界条件计算不同管输量下管道本身的储气能力。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述管道本身的储气能力计算公式为：
其中，Vmax为储气状态结束时管道的气体管存量，单位为m3；Vmin为储气状态开始时管道的气体管存量，单位为m3；ppjmax为储气状态结束时管道的平均压力，单位为Pa；ppjmin为储气状态开始时管道的平均压力，单位为Pa；p1max为起点最高允许压力，单位为Pa；p2min为终点最低允许压力，单位为Pa；Vg为管道的几何体积，单位为m3；l为管道长度，单位为m；D为管道内径，单位为m；Q为标况下管道内气体体积流量，单位为m3/s；Z1、Z2分别为储气开始和储气结束时平均压力与平均温度下的压缩因子，近似认为Z1＝Z2＝Z；T1、T2分别为储气开始和储气结束时平均温度，近似认为T1＝T2＝T，单位为K；p0为工程标准状况下的压力，p0＝101325Pa；Z0为P0，T0下的压缩因子，Z0＝1；T0为工程标准状况下的温度，T0＝293K；λ为水力摩阻系数；△*为天然气的相对密度。VS为管道在输量Q下对应的储气能力，单位为m3；C0为常数,0.03848。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，用户调峰需求量及气源调峰能力的计算公式为：
式中，V为某确定工况下的下游用户或上游气源的日调峰需求量，万方/天；n代表管道沿线共有n个天然气用户或气源；i代表管道沿线的用户或气源；j代表一天24小时内的某小时时刻；qj为用户或气源i在第j个小时的用气量或供气量，万方/小时；为用户或气源i的日均小时用气用气量或供气量，万方/小时。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，管网系统储气/调峰能力的量化关系为：
式中，Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；Qi为用户i的日输量，万方/天；Q为管道中所有用户的日总输量，万方/天；V0为管道系统具备的调峰能力，万方/天；VS为管道在输量Q下对应的储气能力，万方/天；Vt为气源提供的日调峰量，万方/天；Vtmax为气源的最大调峰能力，万方/天；VS′为管道储气能力与气源调峰能力叠加后的系统储气能力，万方/天；Vm为市场调峰需求，万方/天。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，不同管网系统管输量和系统调峰能力的关系曲线不同，该关系曲线展示了管网系统能安全运行的管输量和调峰量匹配区间，根据该区间判断本管网系统可满足的下游市场需求范围，进行生产调度，气源排布和市场排布。
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